人體不僅具有取之不盡的充沛的能量,而且可以在行走中收集,為滿足其在日常行走中持續(xù)發(fā)電提供了良好的能量來源。特別是足部產(chǎn)生的能量大,備受研究者們的青睞。壓電式因具有直接將機械能轉(zhuǎn)換成電能等優(yōu)點,采用壓電式收集人體能量是當(dāng)前研究的熱點。本文在國內(nèi)外研究的基礎(chǔ)上,從結(jié)構(gòu)設(shè)計、理論研究及實驗研究三方面開展了壓電式收集足部的能量的研究。首先,綜合考慮PVDF壓電薄膜的性能、鞋樣結(jié)構(gòu)的限制等因素,設(shè)計與制作了平板式、C形、拱形及zigzag形四種壓電集能器單元收集足部能量。并初步探討了其輸出性能。還將C形結(jié)構(gòu)和現(xiàn)有的拱形結(jié)構(gòu)進行了對比,比較了優(yōu)劣�；谝陨系难芯颗c分析,初步探討了它們作為壓電集能器收集足部能量的優(yōu)勢。選取了平板式、C形壓電集能器單元作為主研究對象,并設(shè)計了相應(yīng)的陣列結(jié)構(gòu),分別為基于平板式的陣列平板式與基于C形結(jié)構(gòu)的球形壓電集能器。在1Hz頻率和500N的沖擊力下,平板結(jié)構(gòu)、C形結(jié)構(gòu)、拱形結(jié)構(gòu)和zigzag結(jié)構(gòu)的能量密度分別為0.5333μW/cm~3、1.0417μW/cm~3、1.5500μW/cm~3以及3.3583μW/cm~3。通過對單個波的特征參數(shù)進行分析,確定了沖擊力下表征電能量的方式和方法以及他們之間的關(guān)系,通過其分析了不同結(jié)構(gòu)的輸出性能。最后,總結(jié)了PVDF壓電薄膜在制成相應(yīng)的壓電片及與基質(zhì)層組合時出現(xiàn)的問題和注意事項。其次,針對平板式集能器進行了一系列的研究。通過相關(guān)理論,計算了整片(未分段電極,UE)壓電結(jié)構(gòu)、兩個半片壓電結(jié)構(gòu)串聯(lián)(分段電極串聯(lián),SES)及兩個半片壓電結(jié)構(gòu)并聯(lián)(分段電極并聯(lián),SEP)三種形式的輸出性能之間的關(guān)系,后來在沖擊力下的實驗中驗證了三者的實驗結(jié)果與理論結(jié)果一致。在平板式集能器的制作過程中發(fā)現(xiàn)不同絕緣層對輸出性能有一定的影響,當(dāng)上下絕緣層都選用PE保鮮膜時,輸出電壓峰峰值最大。研究了靜置載荷對平板式集能器的輸出電壓的影響,在5kg的重量內(nèi),電壓峰峰值隨載荷變化的曲線可擬合成冪函數(shù)。相關(guān)度可達0.99389。在微小的重力實驗的研究中,平板式集能器的輸出電壓峰峰值隨著質(zhì)量塊重量增加而增加,也隨著下降高度的增加而增加。在簡諧力的作用下,隨著頻率的增加,其輸出電壓峰峰值也相應(yīng)增加。將其直接置于鞋的腳后跟,發(fā)現(xiàn)隨著步頻的增加,輸出電壓峰峰值也相應(yīng)增加,在跑步機速度為6km/h,輸出電壓峰峰值可達13.4V。通過對簡諧力以及步行下的單個波形進行了特征參數(shù)的分析,確定了這兩種方式下表征電能量的方式和方法以及他們之間的關(guān)系,分析了不同激勵方式對平板式集能器的特征參數(shù)間的影響。研究了平板式集能器在多個循環(huán)踩壓下的性能,可知,在踩壓時,電壓峰峰值具有很大的波動性,循環(huán)1600多次后,它的電壓峰峰值與前期的電壓峰峰值差不多,仍能保持較好的壓電性能。然后,將基于平板式集能器的陣列平板式集能器放于腳后跟處的鞋墊,研究了陣列情況下的各種輸出性能。測量了在相同情況下的單個集能器單元的電壓輸出及兩個集能器單元串聯(lián)的電壓輸出,通過比較發(fā)現(xiàn)兩者間基本沒有相位差。因此,在測試直流輸出時,為了減少整流橋?qū)芷鬏敵龅膿p耗,可以選擇先連接后整流的方式。研究了將陣列式壓電集能器中的壓電單元直接并聯(lián)后的輸出特性,負(fù)載為510kΩ時,人在3km/h運行的跑步機上行走,得到的電壓有效值為0.1350V,電流有效值為0.2648μA,平均功率約為0.0358μW。將壓電集能器單元先串聯(lián)后接整流橋,采用電容測量它在3km/h運行的跑步機上行走時的電量儲存,測得電容在4min內(nèi)儲存11.84μC的電荷量,電容兩端的電壓與時間呈線性相關(guān),相關(guān)度為0.96763。將壓電集能器單元并聯(lián)后接整流橋再連接電容,測得電容4min內(nèi)能儲存58.93μC的電荷量,電容兩端的電壓與時間呈指數(shù)相關(guān),相關(guān)度為0.9906。另外,對C形壓電集能器進行了研究。介紹了C形壓電集能器的大變形的理論模型,分析了集能器尺寸對輸出性能的影響,并探討了C形壓電集能器在成形的制作過程中遇到的問題與解決方法。研究了靜置載荷對C形壓電集能器的輸出性能的影響:質(zhì)量塊重量未達到C形結(jié)構(gòu)下降臨界值時輸出電壓低,達到時輸出電壓劇增,超過下降5mm高度的重量時,雖下降高度保持不變,隨著質(zhì)量塊的增加輸出電壓也增加。還研究了壓電片長度及集能器的豎直高度對輸出性能的影響:隨著壓電片長度的增長,C形集能器的輸出電壓峰峰值變大,隨著集能器豎直高度的下降,輸出電壓峰峰值隨著增大。還比較了豎直高度為3cm時理論值與實驗值的大小關(guān)系,壓電片長度為4cm時的電量輸出可達理論值的31.4%。通過對C形壓電集能器的單個波形的特征參數(shù)進行分析,證明了壓電片長度和集能器高度的變化會影響特征參數(shù)間的關(guān)系。最后,對球形壓電集能器進行了研究。在制作過程中,考慮到C形壓電集能器實驗時的問題,對其結(jié)構(gòu)制作進行了優(yōu)化,因C形結(jié)構(gòu)在變形過程中,芳綸長絲束偶爾有要滑入彈簧鋼細(xì)縫中的趨勢,選用螺釘和螺帽進行固定避免了這個問題,還對球形壓電集能器中各單元的接觸點進行了固定。考慮了C形結(jié)構(gòu)制成球形結(jié)構(gòu)后單片壓電單元輸出性能的損失,制作了C形、圓形、球形三種集能器并進行了性能研究,相對于C形壓電集能器的輸出電壓來說,球形壓電集能器的損耗比圓形的大,最大可達25%。在實驗研究中,在相同情況下測試了球形陣列式集能器的各個單元的輸出性能及串聯(lián)后的輸出性能,發(fā)現(xiàn)串聯(lián)輸出的電壓遠(yuǎn)小于各個單元的輸出電壓之和,說明各個集能器單元間具有相位差。而各自通過整流后再串聯(lián)的輸出電壓與各個單元整流后的輸出電壓之和基本一致,說明各自整流后再連接可以提高輸出性能。研究了球形壓電集能器在多個循環(huán)踩壓下的性能,在多達600次踩壓后的電壓峰峰值與前期的電壓峰峰值相差不大,且沒有下降,仍能保持較好的壓電性能。球形壓電集能器的壓電單元整流后并聯(lián),然后接680kΩ電阻,固定集能器的下降高度為5mm,在約1Hz頻率的踩壓下,可得到的有效電壓為0.2158V,有效電流為0.3174μA,平均功率為0.0685μW。每個集能器單元全橋整流后并聯(lián)再連接電容時,在約1Hz頻率的踩壓下,儲存電荷量隨時間變化的曲線可以擬合為指數(shù)曲線,相關(guān)度為0.98106,且4min內(nèi)存儲了14.48μC的電荷量。陣列平板式集能器產(chǎn)生的電量與舒適性都優(yōu)于球形壓電集能器。
【學(xué)位單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TP368.33
【部分圖文】：

圍識別的安全類應(yīng)用設(shè)備[31]。這方面的設(shè)備主要有用來識別當(dāng)前所位系統(tǒng)等�？纱┐骷芷骺蔀檫@類安全類可穿戴電子設(shè)備供電。另究可穿戴電子集能器為軍事領(lǐng)域中的智能防護裝具等防護個人安電。三方面：生活娛樂與游戲類方面的應(yīng)用。如給手機及可以同步手絡(luò)實現(xiàn)多功能的智能眼鏡和智能手表等的供電。體可釋放能量的種類與收集方式人體能量的種類體所能提供的能量可以簡單的分為兩類：化學(xué)能和物理能[32]。圖 種能量的分類。其中，化學(xué)能基本都是為體內(nèi)醫(yī)療裝置供電，如心線內(nèi)窺鏡膠囊等。物理能一般都是為體外電子設(shè)備供電，如健康監(jiān)測電、照明、智能手表等。葡萄糖

圖 1-2 括號外為人體驅(qū)動產(chǎn)生的能量；括號中為每個運動產(chǎn)生的總能量igure 1-2 Power from body-driven sources is outside the parentheses; total powaction is included in parentheses[3]為體外電子設(shè)備供電的能量研究的最多的是動能，因為動能不僅產(chǎn)，而且能產(chǎn)生動能的運動也多，如打字，行走，甩動手臂等。從圖 1-2底運動產(chǎn)生的能量最高（括號內(nèi)），目前收集到的能量也是最高，非種低能耗電子供電。另外，足部由于鞋子的存在，更易于集能器結(jié)構(gòu)裝，因此，相比其他部位動能的收集，足部動能的研究最多。2）人體能量的收集方式針對人體不同的能量，收集方式也不相同。研究者們研究的方法主磁、壓電、靜電、摩擦起電、生物燃料電池，利用這些方法收集能量密度如表 1-3 所示，摩擦起電集能器的產(chǎn)生的能量密度最大，其實驗 490mJ/cm3，熱電集能器的實驗值最低。而另外三種動能的收集方式壓電＞電磁＞靜電。

58]。圖1-3 足部骨骼結(jié)構(gòu)Figure 1-3 Foot skeleton structure在人體站立時，足部僅以跟骨、第一跖骨和第五跖骨著地，共同承受全身的重量，當(dāng)人體開始步行后，第一跖骨、第二跖骨和第五跖骨承重增加，跟骨承重減小[48, 58]。由此可知，人體主要靠足部承受壓力，依靠足弓吸收足部受到的沖擊力，幫助完成站立、行走、跑步、跳躍等動作[48, 58]。一般情況下，足底各個部位可以如圖1-4一樣簡單劃分來進行足部壓力分布的研究。趾骨跖骨跗骨跟骨
【參考文獻】

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本文編號：2842638